高瓦斯工作面定向長鉆孔以孔代巷瓦斯抽采技術(shù)*

張亞潮，楊樂樂，竇成義，李慶釗

(1.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

截至目前，對于U型通風(fēng)的綜采工作面，其上隅角和回風(fēng)巷瓦斯極易超限，該問題一直是國內(nèi)外瓦斯治理的一個難題，也是當(dāng)前高產(chǎn)高效工作面瓦斯治理研究的一個熱點和難點[1]。針對上隅角瓦斯超限的難題，目前常采取的方法包括：地面鉆井、高抽巷、高位鉆孔、上隅角埋管以及上隅角處設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)、擋風(fēng)簾等方式[2-4]。地面井、高抽巷雖然具有流量大、抽采期長等優(yōu)點，但因其投資成本和維護(hù)費用高難以大范圍推廣[5]。上隅角埋管或插管抽采瓦斯雖手段簡單，但抽采濃度低、純量小。傳統(tǒng)高位鉆孔抽采上隅角瓦斯由于有效抽采段較短，鉆孔搭接距離長，需要布置較多鉆場，工程量較大，經(jīng)濟(jì)效能較低[6]。因此，尋找一種高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的上隅角瓦斯治理技術(shù)對于保障工作面安全回采具有重要意義。近年來，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)得到突破和改進(jìn)，定向長鉆孔具有軌跡可控、施工成本低、覆蓋區(qū)域廣等特點，采用井下定向鉆進(jìn)技術(shù)施工的頂板裂隙帶高位走向長鉆孔來抽采瓦斯已成為目前治理高瓦斯礦井回采工作面上隅角瓦斯超限難題的一種選擇[7]。

采空區(qū)頂板走向高位長鉆孔常布置于采空區(qū)頂板裂隙帶內(nèi)，是基于采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育規(guī)律，在裂隙帶內(nèi)布置瓦斯抽采長鉆孔，以實現(xiàn)提高采空區(qū)的卸壓瓦斯抽采效率。因此，研究采空區(qū)頂板裂隙演化規(guī)律對定向長鉆孔的層位布置以實現(xiàn)卸壓瓦斯的高效抽采則顯得至關(guān)重要。余明高等[8]利用FLAC軟件對近距離煤層群重復(fù)采動下采空區(qū)頂板裂隙演化過程進(jìn)行了分析，張軍等[9]采用相似模擬研究確定了回采工作面頂板的“三帶”高度，劉桂麗等[10]根據(jù)采空區(qū)頂板裂隙高度的計算公式，優(yōu)化設(shè)計了高位走向長鉆孔的抽采參數(shù)，郝光生等[11]基于數(shù)值模擬提出了高位走向長鉆孔差異化布孔方式并驗證了其有效性，劉振明等[12]基于數(shù)值模擬對傾向高位走向長鉆孔布孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。李宏等[13]為提高采空區(qū)裂隙帶瓦斯抽采效果，提出了一種大直徑頂板定向長鉆孔進(jìn)行采動區(qū)裂隙帶瓦斯定向抽采技術(shù)，并對其施工工藝、鉆孔布置合理層位及抽采效果進(jìn)行了研究。畢慧杰等[14]采用理論計算和數(shù)值模擬的方法研究了采動裂隙演化規(guī)律，通過在裂隙帶范圍布置不同層位的高位鉆孔，研究了其對瓦斯的抽采效果，獲得了高位鉆孔的最佳布置層位。

近年來，大佛寺煤礦為提高卸壓瓦斯抽采效果、保障煤礦安全生產(chǎn)，在積極探索適合于本礦的“以孔代巷”的采空區(qū)卸壓瓦斯治理方法。為此，以該礦為研究背景，采用相似模擬的方法，分析了試驗工作面采動裂隙帶的分布規(guī)律，制定了定向鉆孔布置工藝，并對比高位定向鉆孔與高抽巷的抽采效果。

1 定向長鉆孔抽采卸壓瓦斯的技術(shù)原理

煤層回采后，冒落帶與裂隙帶內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育充分，是瓦斯流動和富集的主要通道，當(dāng)瓦斯抽采鉆孔或巷道布置其中時，可獲得較好的瓦斯抽采效果。通常，高抽巷層位要兼顧采空區(qū)遺煤與鄰近層涌出瓦斯的治理，其在層位布置與上隅角多有一定的距離，難以完全有效地控制上隅角瓦斯超限的問題，多需要輔助其他抽采手段以針對上隅角瓦斯進(jìn)行強(qiáng)化抽采。通常向采空區(qū)規(guī)則冒落帶上部施工高位定向長鉆孔，可避免與高抽巷距離太近而相互影響，還可利用采動影響形成瓦斯運移通道來抽采高濃度瓦斯，可達(dá)到避免工作面上隅角瓦斯積聚的效果[15]。2017年，淮南礦區(qū)采用復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)，定向鉆孔的施工深度普遍達(dá)到500 m以上，工作面回采期間，鉆孔瓦斯抽采濃度高達(dá)31.39%、純量11.07 m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛瓤山抵?.03%左右，其為實施“以孔代巷”抽采瓦斯奠定了基礎(chǔ)[16]。早在2011年，大佛寺煤礦即引進(jìn)了ZDY6000LD型定向鉆機(jī)及配套裝備，通過對定向長鉆孔鉆進(jìn)工藝、布孔技術(shù)優(yōu)化及現(xiàn)場應(yīng)用，明確了定向長鉆孔有利于實現(xiàn)工作面瓦斯區(qū)域集中抽采的定論[17]。因此，采用高位定向長鉆孔治理工作面卸壓瓦斯在大佛寺煤礦具有一定的研究和實踐基礎(chǔ)。

2 試驗工作面概況

大佛寺煤礦位于陜西彬長礦區(qū)南部邊界，礦井核定生產(chǎn)能力為750萬t/a，主采侏羅紀(jì)4號煤層，屬特厚煤層，4上煤為4號煤的上分叉煤層，在井田局部可采。2020年瓦斯等級鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為130.56 m3/min，相對瓦斯涌出量為11.93 m3/t。

41213工作面是412采區(qū)北翼第7個綜采工作面，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法采煤，全部垮落法處理頂板。工作面走向長1 785 m、傾向240 m，平均煤厚2.8 m，采高3.2 m。工作面煤層原始瓦斯含量1.31～2.58 m3/t，煤層埋藏深度398.6～525.5 m。工作面設(shè)計運順、回順2條巷道，沿煤層底板布置。工作面以巷道里程840 m為界，里段采用“高抽巷+上隅角插管”抽采，外段采用“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管”抽采。

3 定向鉆孔層位布置的確定

3.1 采場覆巖裂隙發(fā)育區(qū)范圍

通過相似模擬試驗?zāi)芮宄吹?，上覆巖層采動裂隙的發(fā)生、發(fā)展完全決定于關(guān)鍵層在開采過程中所形成的砌體梁結(jié)構(gòu)及其破斷的失穩(wěn)形態(tài)，如圖1、2所示。在切眼及正回采的工作面附近，覆巖裂隙較為發(fā)育；在采空區(qū)中部，垮落矸石及規(guī)則移動帶巖體將覆巖裂隙壓實，這樣就出現(xiàn)覆巖采動裂隙發(fā)育帶。切眼附近裂隙發(fā)育區(qū)寬度A1基本上等于工作面初次來壓步距，而工作面附近裂隙區(qū)寬度A2則在2～3倍周期來壓步距之間變化，切眼附近冒落角約60°，工作面附近冒落角約58°?；仫L(fēng)巷附近裂隙區(qū)寬度約32 m，進(jìn)風(fēng)巷附近裂隙區(qū)寬度約36 m，回風(fēng)巷附近冒落角約55°，進(jìn)風(fēng)巷附近約57°。

圖1 相似模擬中采場“三帶”沿走向分布Fig.1 Distribution of “three zones” along strike

圖2 相似模擬中采場“三帶”沿傾向分布Fig.2 Distribution of “three zones” along trend

由煤巖冒落情況可以直觀地看出，隨著工作面推進(jìn)，煤層上方的巖層不斷垮落，最終形成一定的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。工作面推進(jìn)至20 m時，煤層的直接頂初次冒落，冒落的高度為1.5 m左右，直接頂隨著工作面的推進(jìn)而逐漸向上發(fā)展；工作面推進(jìn)30 m時直接頂冒落高度為2.5 m左右；當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m時，發(fā)生初次來壓，冒落高度達(dá)6 m；當(dāng)推進(jìn)到接近80 m時，發(fā)生1次周期來壓，冒落高度達(dá)6.5 m左右；當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時，煤巖冒落高度與工作面推進(jìn)80 m時基本一致。

3.2 采動裂隙帶高度的確定

根據(jù)經(jīng)驗公式[18]，大佛寺煤礦41213工作面的煤層傾角小于54°，煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度小于40 MPa，其冒落帶高度不超過煤層厚度的4倍。冒落帶最大高度經(jīng)驗計算公式可參考表1。

表1 冒落帶最大高度經(jīng)驗公式

根據(jù)41213工作面地質(zhì)資料(如圖3所示煤層地質(zhì)柱狀圖)，煤層直接頂主要為泥巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，由試驗及經(jīng)驗公式計算工作面冒落帶、裂隙帶的高度Hm,Hc分別為

Hm=(1～2)M

(1)

(2)

將煤層采高M(jìn)=3.2 m代入公式(1)中，計算冒落帶高度3.2～6.4 m，裂隙帶高度39.9～50.1 m。根據(jù)采動裂隙“O”形圈理論，抽采鉆孔終孔點與回風(fēng)巷的水平距離s的計算公式為

L/2>S=h高ctanα+Δs/3

(3)

式中，L為工作面長度，240 m；α為回風(fēng)巷附近冒落角，約55°；回風(fēng)巷附近裂隙區(qū)寬度，約32 m。

因此，基于裂隙帶的高度，瓦斯抽采定向長鉆孔的布置層位需在裂隙帶中，抽采鉆孔的終孔點與回風(fēng)巷的水平間距為15 m≤s≤120 m。

3.3 鉆孔布置關(guān)鍵參數(shù)的確定

由于41213工作面頂板上方有厚度超過6 m的泥巖，綜合考慮定向長鉆孔的優(yōu)勢、采動上覆巖層采動裂隙的演化特征及其需滿足的要求，解決上隅角瓦斯超限、較高的瓦斯抽采濃度與純量、鉆孔穩(wěn)定性及工程經(jīng)濟(jì)成本。大佛寺煤礦41213工作面高位定向長鉆孔的層位布置在8～12 m、15～18 m段的砂巖層中，鉆孔與回風(fēng)巷的水平距離取15～60 m。

4 定向鉆孔“以孔代巷”瓦斯抽采方案

4.1 定向鉆孔施工方案

41213回順共計布置2個定向孔施工鉆場，每個鉆場分別布置1組高位定向鉆孔，每組共計4個定向鉆孔，終孔間距10 m，孔徑φ150 mm、φ200 mm，設(shè)計孔深400 m，鉆孔內(nèi)錯回順巷道15～60 m。因此，41213工作面總計施工定向鉆孔8個，設(shè)計鉆孔進(jìn)尺3 200 m，其平面布置圖及剖面圖如圖3所示，鉆孔施工參數(shù)見表2。

圖3 高位定向鉆孔層位布置示意Fig.3 Horizon layout of high-level directional boreholes

表2 鉆場高位定向鉆孔施工情況

4.2 上隅角瓦斯邁步式抽采方案

在工作面高抽巷應(yīng)用階段，上隅角采用插管抽采，即上隅角抽采管路伸入采空區(qū)0.5～1.5 m。上隅角抽采混合流量60～80 m3/min，抽采瓦斯量0.11～0.66 m3/min，可有效治理上隅角瓦斯。在高位定向鉆孔應(yīng)用階段，高位孔抽采瓦斯量1.82～2.73 m3/min，尚不能完全有效解決上隅角瓦斯的異常涌出，上隅角墻內(nèi)瓦斯最大時約為1.5%。為此，在原有采前預(yù)抽系統(tǒng)上延接一趟管路至上隅角邁步式埋管抽采系統(tǒng)，用于解決上隅角瓦斯的異常涌出。上隅角邁步式埋管系統(tǒng)如圖4所示，工作面上隅角埋設(shè)3趟φ315 mm抽采管路或φ400 mm負(fù)壓風(fēng)筒，管路伸入5 m、10 m、15 m邁步式埋設(shè)。

圖4 上隅角邁步式埋管示意Fig.4 Step-by-step buried pipe in the upper corner

為了準(zhǔn)確確定上隅角埋管抽采系統(tǒng)的邁步距離，試驗中通過對采空區(qū)回風(fēng)側(cè)煤自燃“橫三帶”進(jìn)行實測，通過采樣分析，41213工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)瓦斯、氧氣濃度變化情況如圖5所示。采用上隅角邁步式抽采瓦斯后，采空區(qū)散熱帶與氧化升溫帶的邊界(即氧氣濃度18%)約為15 m，因此上隅角埋管在進(jìn)入采空區(qū)超過15 m時斷開抽采管路，重新在上隅角埋設(shè)新管路進(jìn)行瓦斯抽采。

圖5 41213工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體變化情況Fig.5 Gas changes in the goaf at the return air side of 41213 working face

5 以孔代巷工作面瓦斯治理效果分析

5.1 定向鉆孔與高抽巷抽采瓦斯效果對比

41213工作面以巷道里程840 m為界，里段采用“高抽巷+上隅角插管”抽采，外段采用“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管”抽采。

5.1.1 里段抽采

采用高抽巷抽采期間，41213工作面進(jìn)風(fēng)1 883 m3/min，工作面風(fēng)量1 892 m3/min，回風(fēng)1 735 m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.06%，上隅角瓦斯?jié)舛?.08%，風(fēng)排瓦斯量1.04 m3/min，抽采瓦斯量8.25 m3/min，絕對瓦斯涌出量9.29 m3/min，瓦斯抽采率78.8%。其中，高抽巷抽采瓦斯量7.03 m3/min，上隅角抽采瓦斯量0.16 m3/min。

5.1.2 外段抽采

在采用高位定向鉆孔抽采瓦斯階段，41213工作面進(jìn)風(fēng)1 561 m3/min，工作面風(fēng)量1 570 m3/min，回風(fēng)1 428 m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.06%，上隅角瓦斯?jié)舛?.08%，風(fēng)排瓦斯量0.86m3/min，抽采瓦斯量6.33 m3/min，絕對瓦斯涌出量7.19 m3/min，瓦斯抽采率88%。

5.1.3 對比分析

41213工作面過高抽斜巷前、后瓦斯涌出量的變化情況如圖6所示。由圖可知，無論采用高抽巷抽采瓦斯還是采用高位定向長鉆孔抽采卸壓瓦斯，其回風(fēng)瓦斯?jié)舛燃吧嫌缃菈ν馔咚節(jié)舛染∮?.1%。除了在高抽巷與高位定向孔相切換的階段，即經(jīng)過高抽斜巷段時，風(fēng)排瓦斯量最大為2.8 m3/min，其余階段的風(fēng)排瓦斯量均小于1.5 m3/min。在經(jīng)過高抽斜巷段，回風(fēng)瓦斯?jié)舛燃吧嫌缃菈ν馔咚節(jié)舛然痉€(wěn)定在0.06%～0.10%，最大為0.16%。在巷道里程840 m以里的高抽巷應(yīng)用段，高抽巷的抽采瓦斯量6.7～9.17 m3/min，過高抽斜巷段的抽采瓦斯量3.72～9.08 m3/min。在巷道里程840 m以外的高位定向長鉆孔應(yīng)用段，高位鉆孔+上隅角埋管邁步式抽采的總計抽采瓦斯量為5.56～8.83 m3/min，其中高位定向鉆孔抽采量2.25～5.45 m3/min，上隅角抽采量2.1～3.89 m3/min。因此，“高位鉆孔+上隅角埋管邁步式抽采系統(tǒng)”基本可以取代“高抽巷+上隅角插管抽采系統(tǒng)”而達(dá)到同樣的工作面瓦斯治理效果。

圖6 41213工作面瓦斯涌出量及抽采瓦斯量變化情況Fig.6 Changes of gas emission and gas extraction amount in 41213 working face

5.2 定向長鉆孔單孔瓦斯抽采特性

為準(zhǔn)確考察瓦斯抽采效果，對于高位鉆場內(nèi)的單孔用φ219 mm鋼管，單孔單連，每個鉆孔安裝孔板流量計和在線監(jiān)測裝置，41213工作面高位定向鉆孔單孔抽采瓦斯量情況如圖7、8所示。對比過高巷后兩周內(nèi)數(shù)據(jù)(3月15日至3月28日)，從圖7所示的G1、G2鉆孔抽采混合流量可以看出，G1鉆孔抽采混合流量9.13～15.84 m3/min，3月20日(過高抽斜巷上口37 m)后，G2鉆孔單孔抽采混合流量由之前的1.1～6.2 m3/min增加至5.54～7.81 m3/min，G1鉆孔抽采混合流量是G2鉆孔的1.41～2.66倍，說明G1始終與裂隙帶導(dǎo)通，3月20日(過高抽斜巷上口37 m)G2鉆孔抽采范圍內(nèi)有一部分與裂隙帶導(dǎo)通。通過圖8可以看出，G1鉆孔抽采瓦斯純量在1.5～2.95 m3/min，有效降低了工作面瓦斯涌出量。G2鉆孔3月20日(過高抽斜巷上口37 m)前瓦斯純量為0.22～0.6 m3/min，3月20日后抽采瓦斯純量為0.69～1.52 m3/min。圖6結(jié)果也表明，3月20日(過高抽斜巷上口37 m)后高位定向鉆孔抽采瓦斯量明顯的增長，其主要原因是G2鉆孔抽采混合流量增加，抽采瓦斯量增大。對比圖7，可以推斷，在3月15日至3月28日期間，G1鉆孔布置的范圍位于頂板裂隙區(qū)中，G2鉆孔布置的范圍位于頂板裂隙區(qū)與壓實區(qū)的邊沿，G3、G4鉆孔則位于壓實區(qū)中。3月28日之后，高位鉆孔抽采混合流量變化較大，上隅角瓦斯抽采量增大。

圖7 高位定向鉆孔單孔抽采混合流量及單孔瓦斯?jié)舛菷ig.7 Mixed flow and gas concentration of single borehole in high-level directional borehole

圖8 高位定向鉆孔單孔抽采瓦斯純量Fig.8 Net amount of single-hole gas extraction in high-level directional borehole

5.3 上隅角抽采效果分析

41213工作面采用高位鉆孔代替高抽巷后，其上隅角瓦斯抽采由插管方式改為邁步式埋管抽采?，F(xiàn)場實測顯示，每趟抽采系統(tǒng)抽采混合流量為60～80 m3/min，抽采瓦斯純量2.34×3.4 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛热鐖D9所示。由圖可知，邁步式埋管伸入采空區(qū)為7～10 m時，其抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值，證明上隅角瓦斯來源于采空區(qū)淺部的散熱帶。

圖9 上隅角邁步式埋管位置與抽采瓦斯?jié)舛汝P(guān)系Fig.9 Relationship between the position of step-by-step buried pipe in upper corner and the gas concentrations

6 結(jié)論

(1)通過相似試驗，獲得了大佛寺煤礦41213工作面走向及傾向上采動覆巖的區(qū)帶分布特性，以此為依據(jù)，確定了高位定向鉆孔的布置層位及其與回順巷道幫部的平距，即高位定向長鉆孔的層位布置在8～12 m、15～18 m段的砂巖層中，鉆孔與回風(fēng)巷的水平距離取為15～60 m。

(2)作為高位鉆孔瓦斯抽采的補(bǔ)充，提出了上隅角邁步式瓦斯抽采方法，并基于采空區(qū)煤自燃“三帶”的分布，確定了上隅角埋管的深度及邁步間距，即邁步式埋管伸入采空區(qū)為7～10 m時，其抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值。

(3)大佛寺煤礦41213工作面采用“高位定向鉆孔與上隅角邁步式埋管抽采模式”，可以有效解決綜采工作面回采期間上隅角瓦斯超限的難題，確保工作面正?；夭伞?/p>